土層無線監測模組組成

本研究使用之無線傳輸模組、數據計錄模組、即時時間模組、感 測器以及微控制器，以可插拔方式配置於客製化電路板上，以便於維 護，並連同電源供應模組放置於防水耐候之電子盒中，其下方可連結 分佈式土壤水分計。透過客戶端與伺服器端建構之區域無線網路，以 及感測器擷取之數據，可進行即時邊坡監測，其系統運作示意圖如圖 3.7 所示，無線土層監測系統之部分包括: (1)微控制器、(2)無線傳輸模 組、(3)時鐘與數據儲存模組及(4)感測器等，除感測器外各部分說明如 下。

3-7

圖 3.7 邊坡無線監測系統運作示意圖 (1) 微處理器

微控制器(MCU)，又稱單晶片微電腦(Single-chip Microcomputer)，

是把中央處理器、記憶體、定時/計數器（timer/counter）、各種輸入輸 出介面等都整合在一塊積體電路晶片上的微型電腦。基於開放原始碼 之開發平台，允許使用者發展符合特殊需求的模組，整合 SPI、UART、

I²C 及 GPIO 等通訊界面，建構易於輸入/輸出之開發板。

微控制器可將程式邏輯帶入監測架構中，藉由簡易之迴圈、布林 參數可將監測架構升級為智慧化感測，使用者可自行設定擷取頻率或 寫入特定觸發條件讓微控制器進行特定動作，作為智慧型無線感測模 組之基礎，MCU 之選擇可基於接腳數量、省電、系統穩定性與開發程 式撰寫的難易程度進行抉擇，於智慧型無線模組中可比喻為大腦，進 行所有電子元件之連接、監測數值之取得、傳送與邏輯判斷等工作。

與開源(open-source) 架構 Arduino 相容之 MCU，可透過整合開發環境 (Integrated Development Environment, IDE)進行韌體撰寫，IDE 為一整 合文字編譯器(Editor)、編譯器(Compiler)、連結器(Linker)及除錯器 (Debugger)之軟體，使用與 C 語言和 C++相仿的程式語言，可與開發電 路板透過電腦以 USB 介面連結，即可編寫及燒錄韌體以設定執行程 序，降低開發門檻，同時增加監測模組功能客製化的彈性。

坊間開發電路板產品眾多，為符合無線土層監測系統之需求，本 研究採用 Wemos lolin32 開發板，其搭載 ESP32 晶片，240MHz 雙核微 控制器，運算數度高達 600 DMIPS，內建 16 MB 程式設計空間，且具

無線傳輸模組包括區域網路(Local network) 及廣域網路(Global network)，本計畫以 LoRa 數位無線電形成區域網路，將監測資料傳遞 至現地之伺服器(server)或無線閘道(gateway)，再以廣域 4G 技術將資料 上傳至雲端平台。

本計畫以 LoRa 無線傳輸模組作為伺服器端與客戶端之間互相傳 輸資訊之區域網路模組， LoRa 為英文 Long Range Low Consumption 的縮寫，為低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network，LPWAN) 通信技術的一種，在 LPWAN 產生之前，使用者只能在遠距離以及低 功耗兩者之間做取捨，而 LoRa 無線技術的出現，改變了關於傳輸距離 與功耗的折衷考慮方式，不僅可以實現遠距離傳輸，並且同時兼具低 功耗、低成本的優點。LoRa 屬於專有技術，由 Semtech Corporration 所有並申請專利，在 ISM 頻段中操作。ISM 頻率的分配和法規要求隨

3-9 層監測模組搭載 4G 模組—SIM7020E，以連結場址資訊與後台人員形 成廣域網路。SIM7020E 近似現今的手持裝置，具有簡訊、語音發送以 及基本通話功能，且同樣以 SIM (Subscriber Identity Module)卡作為用 戶身分識別。SIM7020E 由一組 TTL 邏輯電壓準位與微控制器進行序 含一即時時鐘(Real-time clock，RTC)，晶片為 DS1307，低功耗且提供 年、月、日、時、分、秒資訊，與微控制器透過 I²C 序列傳輸位址與時 間資訊。DS1307 內含電源檢測電路並備有外接電池的獨立輸入端，即 使系統斷電能切換至備用電源以確保時間正常計讀。

由於微控板之 ADC 解析度為 10-bit，不足以應付本研究之精度需 求，故以外接之 ADC 模組整合感測器，本研究使用基於 ADS1115 晶 片之資料擷取卡，使用 I²C 介面與微控板通訊，每秒最高可處理 860

個資料點，解析度達 16-bit，以符合量測之需求。

(4) 雲端伺服平台

物聯網的興起使各領域累積數據量急劇攀升，開發商也因應推出 各種 IoT 資訊平台以滿足資料儲存與顯示的需求。Thingspeak 為 2010 年 IoBridge 開發，用以整合物聯網應用之開源平台，除了開放程式碼 供使用者作專案應用外，也開放一定量之資料讀寫功能讓使用者免費 使用，並透過 API(Application Programming Interface)作資料存取、匯出 以及視覺化展示等功能，本計畫延續前期成果，以 Thingspeak 作為現 地監測資料之雲端即時顯示與儲存平台。

圖 3.8 為 Thingspeak 雲端即時顯示頁面，Field1 至 Field7 依序顯示 該測站之節點編號、傾斜角、淺層土壤體積含水量、淺層土壤溫度、

深層土壤體積含水量、深層土壤溫度、水位以及模組電壓，游標移至 資料點上即可獲知該監測值及其量測時間，用以展示及時監測成果，

而平台也提供歷史資料輸出功能，其副檔名為 csv 格式，可用 Excel 直 接開啟。

3-11

圖 3.8 ThingSpeak.com 即時資料顯示頁面示意圖